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    十六种分析仪器助力半导体工艺检测

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    半导体器件生产中,从半导体单晶片到制成最终成品,须经历数十甚至上百道工序。为了确保产品性能合格、稳定可靠,并有高的成品率,根据各种产品的生产情况,对所有工艺步骤都要有严格的具体要求。因而,在生产过程中必须建立相应的系统和精确的监控措施,首先要从半导体工艺检测着手。
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    半导体工艺检测的项目繁多,内容广泛,方法多种多样,可粗分为两类。第一类是半导体晶片在经历每步工艺加工前后或加工过程中进行的检测,也就是半导体器件和集成电路的半成品或成品的检测。第二类是对半导体单晶片以外的原材料、辅助材料、生产环境、工艺设备、工具、掩模版和其他工艺条件所进行的检测。第一类工艺检测主要是对工艺过程中半导体体内、表面和附加其上的介质膜、金属膜、多晶硅等结构的特性进行物理、化学和电学等性质的测定。其中许多检测方法是半导体工艺所特有的。
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    工艺检测的目的不只是搜集数据,更重要的是要把不断产生的大量检测数据及时整理分析,不断揭示生产过程中存在的问题,向工艺控制反馈,使之不致偏离正常的控制条件。因而对大量检测数据的科学管理,保证其能够得到准确和及时的处理,是半导体工艺检测中的一项重要关键。同时半导体检测也涉及大量的科学仪器,针对于此,对一些半导体检测的仪器进行介绍。
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    椭偏仪
    椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。由于测量精度高,适用于超薄膜,与样品非接触,对样品没有破坏且不需要真空,使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量仪器。
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    目前,椭偏仪是测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法,它采用偏振光源发射激光,当光在样本中发生反射时,会产生椭圆的偏振。椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振,并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度,是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内,椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上,以此确定工艺中膜厚的加工终点。
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    四探针测试仪
    四探针测试仪是用来测量半导体材料(主要是硅单晶、锗单晶、硅片)电阻率,以及扩散层、外延层、ITO导电箔膜、导电橡胶方块电阻等的测量仪器。
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    测量半导体电阻率方法的测量方法主要根据掺杂水平的高低,半导体材料的电阻率可能很高。有多种因素会使测量这些材料的电阻率的任务复杂化,包括与材料实现良好接触的问题。特殊的探头设计用于测量半导体晶片和半导体棒的电阻率。这些探头通常由诸如钨的硬质金属制成,并接地到探头。在这种情况下,接触电阻很高,必须使用四点共线探针或四线绝缘探针。两个探针提供恒定电流,另外两个探针测量整个样品一部分的电压降。通过使用所测电阻的几何尺寸来计算电阻率。
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    薄膜应力测试仪
    薄膜应力作为半导体制程、MEMS微纳加工、光电薄膜镀膜过程中性能测试的必检项,其测试的精度、重复性、效率等因素为业界所重点关注。对应产品目前业界有两种主流技术流派:1)以美国FSM、KLA、TOHO为代表的双激光波长扫描技术(线扫模式),尽管是上世纪90年代技术,但由于其简单高效,适合常规Fab制程中进行快速QC,至今仍广泛应用于相关工厂。2)以美国kSA为代表的MOS激光点阵技术,抗环境振动干扰,精于局部区域内应力测量,这在研究局部薄膜应力均匀分布具有特定意义。线扫模式主要测量晶圆薄膜整体平均应力,监控工序工艺的重复性有意义。但在监控或精细分析局部薄膜应力,激光点阵技术具有特殊优势,比如在MEMS压电薄膜的应力和缺陷监控。
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    热波系统
    热播系统主要用来测量掺杂浓度。热波系统通过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。在该系统内,一束激光通过氩气激光器产生加热的波使硅片表面温度升高,热硅片会导致另一束氦氖激光的反射系数发生变化,这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此,测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来,描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。
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    ECV设备
    ECV又名扩散浓度测试仪,结深测试仪等,即电化学CV法测扩散后的载流子浓度分布。电化学ECV可以用于太阳能电池、LED等产业,是化合物半导体材料研究或开发的主要工具之一。电化学ECV主要用于半导体材料的研究及开发,其原理是使用电化学电容-电压法来测量半导体材料的掺杂浓度分布。电化学ECV(CV-Profiler, C-V Profiler)也是分析或发展半导体光-电化学湿法蚀刻(PEC Etching)很好的选择。
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    少子寿命测试仪
    载流子寿命就是指非平衡载流子的寿命。而非平衡载流子一般也就是非平衡少数载流子(因为只有少数载流子才能注入到半导体内部、并积累起来,多数载流子即使注入进去后也就通过库仑作用而很快地消失了),所以非平衡载流子寿命也就是指非平衡少数载流子寿命,即少数载流子寿命。例如,对n型半导体,非平衡载流子寿命也就是指的是非平衡空穴的寿命。
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    少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和器件特性。能够准确的得到这个参数,对于半导体器件制造具有重要意义。少子寿命测试仪可以直接获得长硅的质量参数。
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    拉曼光谱
    拉曼光谱是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.Raman在1928年所发现的拉曼散射效应,对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息并应用于分子结构研究的一种分析方法。
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    拉曼光谱在材料科学中是物质结构研究的有力工具,在相组成界面、晶界等课题中可以做很多工作。半导体材料研究中,拉曼光谱可测出经离子注入后的半导体损伤分布,可测出半磁半导体的组分,外延层的质量,外延层混品的组分载流子浓度。?
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    红外光谱仪
    红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性,进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源,单色器,探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同,分为色散型和干涉型。对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言,当样品吸收了一定频率的红外辐射后,分子的振动能级发生跃迁,透过的光束中相应频率的光被减弱,造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差,从而得到所测样品的红外光谱。
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    红外光谱法操作简单,不破坏样品,使其在半导体分析的应用日趋广泛。半导体材料的红外光谱揭示了晶格吸收、杂质吸收和自由载流子吸收的情况,直接反映了半导体的许多性质,如确定红外透过率和结晶缺陷,监控外延工艺气体组分分布,测载流子浓度,测半导体薄层厚度和衬底表面质量。
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    二次粒子质谱
    二次粒子质谱是借助入射粒子的轰击功能,将样品表面原子溅出,由质谱仪测定二次粒子质量,根据质谱峰位的质量数,可以确定二次离子所属的元素和化合物,从而可精确测定表面元素的组成。这是一种常用的表面分析技术。其特点是高灵敏度和高分辨率。
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    利用二次离子质谱对掺杂元素的极高灵敏度的特点,对样品的注入条件进行分析,在生产中可以进行离子注入机台的校验,并确定新机台的可以投入生产。同时,二次离子质谱对于CVD沉积工艺的质量监控尤其是硼磷元素的分布和生长比率等方面有不可替代的作用。通过二次离子质谱结果的分析帮助CVD工程师进行生长条件的调节,确定最佳沉积工艺条件。对于杂质污染的分析,可以对样品表面结构和杂质掺杂情况进行详细了解,保证芯片的有源区的洁净生长,对器件的电性质量及可靠性起到至关重要的作用。对掺杂元素退火后的形貌分析研究发现通过改变掺杂元素的深度分布,来保证器件的电学性能达到设计要求。可以帮助LTD进行新工艺的研究对于90nm/65nm/45nm新产品开发起到很大作用。
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    X射线光电子能谱仪
    X射线光电子能谱仪以X射线为激发源。辐射固体表面或气体分子,将原子内壳层电子激发电离成光电子,通过分析样品发射出来的具有特征能量的光电子,进而分析样品的表面元素种类、化学状态和电荷分布等信息,是一种无损表面分析技术。
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    这种技术分析范围较宽,原则上可以分析除氢以外的所有元素,但分析深度较浅,大约在25~100 ?范围,不过其绝对灵敏度高,测量精度可达10 nm左右,主要用于分析表面元素组成和化学状态,原子周围的电子密度,特别是原子价态及表面原子电子云和能级结构。
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    X射线衍射
    当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射,衍射线在空间分布的方位和强度,与晶体结构密切相关,每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。这就是X射线衍射的基本原理。
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    半导体制造中的大部分材料是多晶材料,比如互连线和接触孔。XRD能够将多晶材料的一系列特性量化。这其中最重要的特性包括多晶相(镍单硅化物,镍二硅化物),平均晶粒大小,晶体织构,残余应力。
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    阴极荧光光谱
    阴极荧光谱是利用电子束激发半导体样品,将价带电子激发到导带,之后由于导带能量高不稳定,被激发电子又重新跳回价带,并释放出能量E≤Eg(能隙)的特征荧光谱。CL谱是一种无损的分析方法,结合扫描电镜可提供与形貌相关的高空间分辨率光谱结果,是纳米结构和体材料的独特分析工具。利用阴极荧光谱,可以在进行表面形貌分析的同时,研究半导体材料的发光特性,尤其适合于各种半导体量子肼、量子线、量子点等纳米结构的发光性能的研究。
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    例如,对于氮化镓单晶,由于阴极萤光显微镜具有高的空间分辨率并且具有无损检测的优点,因此将其应用于位错密度的检测已经是行业内广泛采用的方法。目前也制定了相应的标准。
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    轮廓仪
    轮廓仪是一种两坐标测量仪器,仪器传感器相对被测工件表而作匀速滑行,传感器的触针感受到被测表而的几何变化,在X和Z方向分别采样,并转换成电信号,该电信号经放大和处理,再转换成数字信号储存在计算机系统的存储器中,计算机对原始表而轮廓进行数字滤波,分离掉表而粗糙度成分后再进行计算,测量结果为计算出的符介某种曲线的实际值及其离基准点的坐标,或放大的实际轮廓曲线,测量结果通过显示器输出,也可由打印机输出。
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    而利用先进的3D轮廓仪可以实现对硅晶圆的粗糙度检测、晶圆IC的轮廓检测、晶圆IC减薄后的粗糙度检测。
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    扫描电子显微镜
    这是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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    近年来发展起来的聚焦离子束(FIB)技术利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工,配合扫描电镜(SEM)等高倍数电子显微镜实时观察,成为了纳米级分析、制造的主要方法。目前广泛应用于半导体集成电路修改、切割和故障分析、TEM制样等。
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    AOI (自动光学检测)
    AOI的中文全称是自动光学检测,是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行检测的设备。AOI是新兴起的一种新型测试技术,但发展迅速,很多厂家都推出了AOI测试设备。当自动检测时,机器通过摄像头自动扫描PCB,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出PCB上缺陷,并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来,供维修人员修整。
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    运用高速高精度视觉处理技术自动检测PCB板上各种不同贴装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从细间距高密度板到低密度大尺寸板,并可提供在线检测方案,以提高生产效率,及焊接质量。通过使用AOI作为减少缺陷的工具,在装配工艺过程的早期查找和消除错误,以实现良好的过程控制。早期发现缺陷将避免将坏板送到随后的装配阶段,AOI将减少修理成本将避免报废不可修理的电路板。
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    ATE测试机
    广义上的IC测试设备我们都称为ATE(AutomaticTest Equipment),一般由大量的测试机能集合在一起,由电脑控制来测试半导体芯片的功能性,这里面包含了软件和硬件的结合。
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    在元器件的工艺流程中,根据工艺的需要,存在着各种需要测试的环节。目的是为了筛选残次品,防止进入下一道的工序,减少下一道工序中的冗余的制造费用。这些环节需要通过各种物理参数来把握,这些参数可以是现实物理世界中的光,电,波,力学等各种参量,但是,目前大多数常见的是电子信号的居多。ATE设计工程师们要考虑的最多的,还是电子部分的参数比如,时间,相位,电压电流,等等基本的物理参数。就是电子学所说的,信号处理
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